Techniques innovantes en radiothérapie. Radiothérapie asservie à la respiration.

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1 Techniques innovantes en radiothérapie

2 Radiothérapie asservie à la respiration

3 I- INTRODUCTION -La radiothérapie asservie à la respiration (RAR) a été développée afin de minimiser les incertitudes induites par les mouvements respiratoire lors de l’irradiation de tumeurs thoraciques (poumons, médiastin, sein) et abdominales (foie). - Avec la radiothérapie conventionnelle sans asservissement respiratoire, l’utilisation de faisceaux de plus grandes dimensions est nécessaire afin de s’assurer de la couverture suffisante du volume cible à tout moment du cycle respiratoire. -Ces marges supplémentaires majorent logiquement l’importance des organes sains irradiés. Ainsi, l’utilisation de la RAR permet de réduire les volumes critiques irradiés (cœur, poumon, œsophage) sans compromettre le volume cible. -Deux techniques d’asservissement respiratoire sont actuellement disponibles : 1) par blocage inspiratoire 2) par déclenchement automatique du scanner et de l’accélérateur à un moment donné du cycle respiratoire alors que le patient respire librement.

4 II - METHODES

5 1- Synchronisation en respiration libre Cette méthode consiste à suivre en temps réel la respiration libre du patient et à déclencher l’acquisition TDM et/ou l’accélérateur linéaire à un niveau, toujours identique, du cycle respiratoire. Le système le plus utilisé est le système RPM (real time position management)

6 Système RPM Le système RPM permet de suivre le cycle respiratoire d’un patient par l’intermédiaire d’un petit bloc de plastique posé sur son abdomen, et sur lequel deux réflecteurs sont collés. Ces réflecteurs renvoient la lumière d’un illuminateur infrarouge à une caméra qui est reliée à un ordinateur, lui- même connecté à l’accélérateur. Le mouvement des réflecteurs lors de la respiration est analysé en temps réel par un logiciel qui commande le déclenchement de l’accélérateur en fonction d’une fenêtre (gate) prédéfinie. Le faisceau est alors interrompu entre chaque cycle respiratoire, et la dose totale est délivrée en petites fractions de quelques unités moniteurs.

7 Système RPM

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10 2- Contrôle spirometrique de la respiration Le système de contrôle spirométrique de la respiration est le système de blocage volontaire en inspiration (SDX). - Préparation-apprentissage Après avoir présenté l’appareil au patient en lui expliquant son fonctionnement, l’apprentissage consiste à rechercher son niveau d’inspiration profonde le plus confortable pour lui.

11 2- Contrôle spirometrique de la respiration

12 Il n’est pas possible d’appliquer un même niveau standard d’inspiration. Le niveau d’inspiration est aussi dépendant de l’objectif clinique. Il est différent entre l’irradiation d’une tumeur du poumon, du foie ou du sein. Pour irradier une tumeur pulmonaire, on recherche une expansion maximale du volume pulmonaire réduisant ainsi le volume de tissu sain irradié par rapport au volume pulmonaire total. Pour le cancer du sein, notamment à gauche, l’inspiration profonde extrait tout ou partie du cœur des faisceaux. L’irradiation d’une lésion hépatique nécessite essentiellement une immobilisation de l’organe

13 2- Contrôle spirometrique de la respiration)

14 2- Contrôle spirometrique de la respiration - Pour cette première phase d’apprentissage, le patient réalise plusieurs (trois ou quatre) apnées courtes, d’abord sans lunettes vidéo, puis des inspirations plus profondes. - Sur la base de ces exercices, le choix du niveau optimal d’inspiration est choisi. On considère qu’à partir d’une apnée de 15 secondes, l’ensemble des acquisitions TDM et des irradiations deviennent réalisables

15 2- Contrôle spirometrique de la respiration

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17 III- RESULTATS

18 1- Synchronisation en respiration libre Peu d’études ont réellement évalué les différents dispositifs en respiration libre Une équipe du MSKCC a évalué cette technique sur des patients atteints de cancer du foie Grâce à cette technique, les mouvements dans le sens craniocaudal du diaphragme ont été réduits en moyenne de 22,7 ± 7,4 mm en respiration libre à 5,1 ± 2,1 mm avec la synchronisation respiratoire. La réduction des mouvements respiratoires du foie a permis de diminuer les marges de sécurité de 1 cm (1 cm de marge au total au lieu de 2 initialement) et, en conséquence, d’autoriser une augmentation de la dose totale de 7 à 27 % selon les patients (valeur médiane : 21,3 %).

19 2- Contrôle spirometrique de la respiration Les dispositifs de blocage, volontaires ou non, de la respiration ont été les premiers à être employés et évalués. Remouchamps et al. ont évalué le même système pour des irradiations mammaires. Le blocage actif en inspiration en diminuant les mouvements respiratoires du volume cible mammaire a permis de réduire la taille du volume cible interne de 15 à 5mm. En conséquence, le volume cardiaque recevant au moins 30 Gy (V30) et le volume de poumon recevant au moins 20 Gy (V20) pulmonaire ont été nettement réduits. Cette réduction était encore plus importante lors d’une irradiation avec modulation d’intensité : les V30 et V20 diminuaient de 19 à 3 % et de 24 à 15 %,respectivement

20 IV- CONCLUSION Le contrôle de la respiration bénéficie des nombreux développements et de nombreuses études Cependant, ces techniques nécessitent de mettre en place des méthodes adaptées et personnalisées à chaque patient. Tous les dispositifs de contrôle de la respiration apparaissent essentiels pour réduire la toxicité aiguë et tardive, notamment pulmonaire, cardiaque et oesophagienne, lors d’une irradiation pulmonaire. Sur le plan économique, l’innovation est responsable d’un surcoût important, d’où la pérennisation de la radiothérapie asservie à la respiration est aujourd’hui incertaine.

21 PROTONTHERAPIE

22 I- INTRODUCTION La protonthérapie est aujourd’hui l’une des techniques de haute précision les plus performantes parmi les outils disponibles en radiothérapie conformationnelle, avec plus de 70 000 patients traités, environ 25 installations opérationnelles et une quinzaine en cours d’élaboration dans le monde

23 II- Bases de la protonthérapie Dans les tissus biologiques, des protons de haute énergie sont ralentis en profondeur et s’arrêtent assez brutalement, ce qui augmente leur temps d’interaction avec les électrons du milieu sur un très bref parcours, et leur permet de déposer très localement une énergie importante, par le biais d’ionisations. Le « pic de Bragg » : dépôt de dose très localisé est suivi d’une chute brutale où la dose s’annule sur quelques millimètre

24 II- Bases de la protonthérapie pic de Bragg et modulation d’énergie par superposition de pics pour élargir la région de dose homogène en s’adaptant à un volume cible : préservation d’une dose nulle en profondeur mais augmentation de la dose à l’entrée

25 II- Bases de la protonthérapie L’avantage balistique des protons apparaît d’emblée sur un planning dosimétrique lorsqu’un faisceau unique de protons est substitué au même faisceau de photons : absence de surdosage d’entrée dose homogène sur tout le parcours, faible pénombre latérale et surtout absence de faisceau de sortie

26 Appareil

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28 III- Applications cliniques Le fort gradient de dose que la protonthérapie permet à l’interface volume cible tumoral et structures à risque, permet d’augmenter la dose dans celui-ci tout en maintenant la dose délivrée aux tissus sains environnants à un niveau acceptable. Cet avantage explique la part importante prise par cette technique dans le traitement de tumeurs « radiorésistantes » nécessitant des doses élevées d’irradiation et placées au contact, ou au voisinage immédiat, de structures saines radiosensibles, dont la préservation de la fonction est essentielle

29 1- Tumeurs oculaires Les mélanomes choroïdiens constituent la majorité des tumeurs traitées par protons dans le monde Le traitement répond à un double objectif : éviter l’énucléation tout en préservant ou en améliorant la vision. Les tumeurs de la choroïde, postérieures dans deux tiers des cas, jouxtent généralement la macula et/ou la papille, sites critiques à protéger pour préserver l’avenir visuel

30 2- Sarcomes de la base du crane et du rachis L’indication d’un traitement postopératoire par protonthérapie à haute dose (seule ou associée à une composante photons) est devenue la règle pour les chondrosarcomes de bas grade et les chordomes de la BDC et du rachis cervical

31 Exemple

32 3- Tumeurs pédiatriques La protonthérapie est appelée à prendre une place considérable dans ces indications, sinon quantitativement du fait de leur rareté, du moins qualitativement en raison de l’importance de la protection des tissus sains chez l’enfant.

33 3- Tumeurs pédiatriques La plupart des études confirment la meilleure épargne des tissus sains par rapport aux techniques photoniques les plus performantes, y compris dans le domaine des doses faibles potentiellement carcinogéniques.

34 IV- CONCLUSION La protonthérapie est une des formes les plus élaborées de radiothérapie en termes de précision balistique et d’épargne des tissus sains. Elle a acquis ses lettres de noblesse dans des localisations tumorales rares (mélanomes oculaires, sarcomes de la BDC et du rachis) et pourrait maintenant s’ouvrir à des indications beaucoup plus fréquentes, relevant des grands domaines d’intérêt de la santé publique (prostate, poumon, etc.). Elle devrait aussi rapidement s’imposer comme traitement de référence des tumeurs pédiatriques. L’intérêt considérable que portent les grandes équipes oncologiques à cette technique justifie certainement les programmes de recherche théorique et appliquée visant à mettre au point des appareillages plus compacts, pleinement fiables et moins onéreux, dont leur conformité aux exigences cliniques devra être prouvée dans les années à venir

35 La radiothérapie guidée par l’image (IGRT)

36 I - INTRODUCTION L’objectif de la radiothérapie RTE est de: Délivrer une dose élevée dans la tumeur (VC) Limiter au maximum la dose au niveau des tissus sains avoisinants En réponse à cet objectif, la RTE a présenté depuis deux décennies au moins trois « révolutions » techniques majeures : RTC → RCMI → Arcthérapie. Cependant, cette amélioration dans la distribution de dose est quantifiée sur une imagerie scanner figé, sans certitude sur la réalité de cette amélioration durant la totalité du traitement En pratique, les contrôles de positionnement sous l’accélérateur portent, sur la position du patient (et non de la tumeur) selon des repères osseux. VC = tissus mous non visibles par imagerie conventionnelle

37 I- INTRODUCTION La tumeur ou les organes sains peuvent présenter des déplacements ou des déformation durant le TRT: Interfraction : variations anatomiques physiologiques et/ou de fonte tumorale et/ou d’amaigrissement du patient. Intrafraction: la respiration (tumeurs thoraciques) / localisation abdominopelvienne (gaz digestifs). Les déplacements peuvent être supra-centimétriques. L’ensemble de ces variations font que la dose planifiée peut ne pas correspondre à la dose réalisée. Pour répondre à cette variabilité de positionnement de la cible, on a tendance définir des marges autour du VC: Marges +++ → augmentation du risque de toxicité. Marges petites → risque de récidive par sous-dosage. Une technique à cette problématique = la radiothérapie guidée par l’image (IGRT).

38 II- Techniques irradiantes Techniques utilisant des rayons X de basse ou de haute énergie. Elles permettent - soit une visualisation directe des tissus par cone beam CT (CBCT) - soit une localisation de la tumeur à l’aide de marqueurs radio- opaques (or) et à partir de deux clichés orthogonaux.

39 Imagerie 2D - Cette technique 2D correspond à deux systèmes différents: a- Source de rayons X montée sur l’appareil de traitement associée à un détecteur plan en regard, cet ensemble étant en position orthogonale par rapport aux faisceau b- Deux sources implantées dans le sol en regard de détecteurs plans situés dans le plafond

40 Imagerie 2D

41 Ces techniques 2D permettent de visualiser des repères osseux mais, si l’on veut localiser la tumeur, il est indispensable d’y associer des marqueurs or implantés préalablement sous forme de grains comme dans la prostate. La réalisation d’images de façon répétée et délivrant une dose de l’ordre du milligray est alors possible. Par reconstruction, il est facile de comparer ces images à une imagerie de référence obtenue lors de la préparation du traitement du patient lors de l’acquisition des données anatomiques par scanner. La concordance des images obtenues permet un recalage d’une précision millimétrique

42 Imagerie 2D

43 Imagerie 3D Elle correspond principalement au CBCT dont les images sont obtenues par la rotation autour du patient d’un faisceau de rayons X qui permet, de reconstruire dans l’espace une imagerie de type scanographique. Cette imagerie résulte soit d’une irradiation par des rayons X de basse énergie kilovoltage (Varian ou Elekta), soit d’un faisceau de haute énergie mégavoltage pour les CBCT proposés par Siemens. Cette imagerie embarquée permet d’obtenir des images comparables à celles d’un scanner « diagnostic » mais de qualité moindre. Il est alors possible de comparer l’image prise en position de traitement à l’imagerie définie lors de l’acquisition pour la préparation du traitement et de corriger la position du patient en fonction des décalages mis en évidence.

44 Imagerie 3D

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46 CONCLUSION L’IGRT est une innovation technique majeure de la radiothérapie qui, associée aux nouvelles modalités d’imagerie et aux techniques de modulation d’intensité, devrait permettre d’augmenter le contrôle local et de diminuer la toxicité des traitements, par amélioration du ciblage et diminution du volume de tissus sain irradié. La modalité la plus fréquente d’IGRT, car disponible à l’achat de tout nouvel accélérateur, est le CBCT.

47 Radiothérapie stéréotaxique

48 I- INTRODUCTION L’irradiation des tumeurs en conditions stéréotaxiques correspond à une irradiation utilisant un grand nombre de minifaisceaux convergeant au centre de la tumeur avec une très grande précision La RTE stéréotaxique correspond à l’irradiation de localisations intracrâniennes ou extracrâniennes avec des doses plus élevées et délivrées en un nombre de séances beaucoup plus faible que ce qui est pratiqué en radiothérapie classique Ces fortes doses par séance et le raccourcissement de la durée totale du traitement ont pour but d’augmenter le contrôle tumoral

49 II - MOYENS

50 1- Gamma Knife les années 1960: Gamma Knife® = appareil de RTE utilisant des sources de Co60 miniatures dont le minifaisceau était dirigé à travers un collimateur circulaire vers un isocentre. L’utilisation d’un cadre de stéréotaxie solidement fixé à la boîte crânienne était obligatoire pour garantir la précision et donc la sécurité de l’irradiation, ce qui interdisait les traitements fractionnés

51 1- Gamma Knife

52 un corps sphérique creux contenant de multiples sources de cobalt 60 de 2 cm de long et d’1 mm de diamètre placées de façon concentrique. La tête du patient est fixée de telle façon que l’isocentre du casque de l’appareil coïncide avec le centre de la lésion.

53 1- Gamma Knife

54 2- Accélérateur avec micromultilames les années 1990, les progrès de l’informatique et de l’imagerie ont permis de perfectionner la technique. C’est ainsi que BrainLab® a mis sur le marché son collimateur micromultilames monté sur des accélérateur linéaire qui a permis des traitements mono-isocentriques par des faisceaux fixes ou des arcs dynamiques Ce dispositif monté sur un accélérateur muni d’un système d’imagerie embarquée, permettait d’une part des traitements sans cadre, donc possiblement fractionnés,d’autre part, de viser des cibles en dehors de l’encéphale.

55 2- Accélérateur avec micromultilames

56 3- Cyberknife Les années 1990 = le Cyberknife®, utilise un accélérateur linéaire miniaturisé monté sur un bras robotisé piloté par ordinateur, qui permet d’orienter les faisceaux avec six degrés de liberté. Ce système est couplé à un système d’imagerie dans la salle de traitement permettant une radiothérapie guidée par l’image (IGRT) en temps réel et une précision de positionnement inférieure ou égale à 1 mm pour les cibles fixes et de 1,5 mm pour les cibles mobile. Le système couplé d’imagerie par rayons X permet un guidage en temps réel, avec recentrage immédiat des faisceaux d’irradiation par le robot en fonction de la position du patient et de la tumeur grâce à l’intégration de la robotique et de l’imagerie à des systèmes informatiques de rétrocontrôle

57 3- Cyberknife

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59 3- Accélérateur avec minimultilames Autres constructeurs, Elekta et Varian, ont également mis sur le marché des collimateurs minimultilames (lames de 4 mm ou 5mm à l’isocentre) et ont associé un système d’imagerie 3D à leurs accélérateurs (Synergy®,Axesse®, Trilogy®)

60 III- Indications de radiothérapie stéréotaxique 1- Localisations crâniennes+++ Malformations artérioveineuses Les schwannomes vestibulaires métastases cérébrales gliomes de haut grade méningiomes adénomes hypophysaires craniopharyngiomes

61 II- Indications de radiothérapie stéréotaxique 2- Localisations extracrâniennes Localisations thoraciques: Carcinomes bronchiques non à petites cellules/Métastases pulmonaires Localisations rachidiennes: les métastases médullaires ou paramédullaires /les tumeurs bénignes / les malformations vasculaires. Localisations hépatiques :Carcinomes hépatocellulaires/ Métastases hépatiques

62 IV-Mise en œuvre de la radiothérapie stéréotaxique 1- Immobilisation du patient Immobilisation externe En cas de la radiochirurgie cérébrale, un cadre invasif est utilisé afin d’immobiliser le patient pour les irradiations en séance unique. Si le traitement est délivré en plusieurs séances par un accélérateur adapté ou dédié à la stéréotaxie crânienne et muni d’un système d’imagerie de contrôle performant, les cadres sont non invasifs, solidarisés à la table, formés de masque, avec empreinte dentaire, cale nuque

63 IV-Mise en œuvre de la radiothérapie stéréotaxique

64 Immobilisation externe L’immobilisation difficile au niveau du thorax et de l’abdomen, à cause de la respiration et remplissage des organes internes imposent l’ajout de marges supplémentaires de 10 à 20 mm autour du VC Cette approche n’est pas envisageable en stéréotaxie extracrânienne sous peine d’augmenter la toxicité. D’où des systèmes de repositionnement du patient plus performants (cadre stéréotaxique)

65 IV-Mise en œuvre de la radiothérapie stéréotaxique 2- Repérage de la tumeur et types d’acquisition TDM Localisations crâniennes: Fusion TDM - IRM

66 IV-Mise en œuvre de la radiothérapie stéréotaxique Localisations pulmonaire et hépatique Fusion TDM - IRM

67 IV-Mise en œuvre de la radiothérapie stéréotaxique TDM 4D

68 IV-Mise en œuvre de la radiothérapie stéréotaxique Cyberknife

69 IV-Mise en œuvre de la radiothérapie stéréotaxique 3- Planification de traitement

70 IV-Mise en œuvre de la radiothérapie stéréotaxique 4- Vérification du positionnement

71 V- CONCLUSION La stéréotaxie est une thérapeutique en plein essor dans les traitements des tumeurs de faible volume en raccourcissant la durée des traitements tout en améliorant le contrôle tumoral, au moins local, elle représente une thérapeutique pleine d’avenir. Toutefois, cette technique complexe nécessite un grand nombre de précautions avant sa mise en œuvre clinique. Une stéréotaxie de qualité ne peut s’affranchir d’un contrôle qualité drastique de l’ensemble de la chaîne de traitement

72 V- CONCLUSION Les machines de traitement doivent fournir des performances optimales en termes de stabilité et de reproductibilité de délivrance des doses de rayonnement (position du bras, taille et forme du collimateur, etc.). De fortes doses délivrées n’ont de sens que si on est sûr de les déposer au site planifié. C’est pourquoi le repositionnement du patient et de la tumeur est fondamental. Les systèmes d’imagerie servant aussi bien à la délinéation des structures anatomiques qu’au contrôle du positionnement doivent faire l’objet d’une attention particulière sous peine de compromettre tout le bénéfice attendu de cette technique